マリナー10号
Mariner 10

水星へ行くには、加速より減速が難しい

地球軌道から水星へ向かう探査機は、太陽へ「落ちる」だけでは水星と会えない。地球が持つ大きな太陽周回速度を減らし、近日点を水星軌道まで下げる必要がある。503 kg級の機体へその速度変更をすべて推進剤として積めば、Atlas-Centaurの打ち上げ能力と科学機器の質量を圧迫する。Mariner 10は金星の公転運動と重力を利用し、機体のロケットでは作れない速度ベクトルの回転をフライバイで得る設計を採った。

金星を曲がり角にした二段の太陽周回

1973年11月3日に地球を離れた機体は、太陽の周りを約4分の1周して1974年2月5日に金星へ到着した。高度5,768 kmの通過で金星中心の双曲線を描き、惑星中心系では進入・離脱の速度の大きさをほぼ保ったまま向きを変更する。その結果、太陽中心系では軌道エネルギーが下がり、さらに約4分の1周して3月29日に水星へ到達できた。金星到着の小さな誤差が水星で大きく増幅されるため、11月13日と翌1月21日の中間軌道修正、金星後の3月16日の修正が一続きの航法問題だった。

176日軌道そのものを再訪装置にする

第一遭遇後の太陽周回周期は約176日、水星は約88日で一周する。探査機が一周する間に水星が二周するため、両者はほぼ同じ黄経で再会できた。Giuseppe Colomboが示したこの2対1共鳴に、5月9日・10日、7月2日の修正を重ねて第二遭遇へ、さらに10月30日、1975年2月13日、3月7日の修正を重ねて第三遭遇へつないだ。三回目直前の噴射は衝突回避でもあり、「自然に戻る共鳴」と「狙った高度へ通す航法」は別の仕事だった。

短い遭遇を、撮像・場・電波へ同時に分配する

二台のテレビカメラは可動スキャンプラットフォームから金星の紫外雲模様と水星地形を追い、磁力計・プラズマ分析器・荷電粒子望遠鏡はブーム上から周辺環境を測った。紫外線分光器と赤外放射計は大気・外気圏・表面温度を、探査機が惑星の背後へ入る際の電波は大気と半径を調べた。フライバイでは観測対象が急速に視野を横切るため、姿勢、時刻、アンテナ指向、磁気テープ、DSN受信を一つの遭遇シーケンスとして組む必要があった。

消耗品が科学の終点を決めた

巡航中の姿勢異常は窒素ガスを想定以上に消費した。運用チームは太陽電池パネルと高利得アンテナへ働く太陽放射圧を微小トルクとして利用し、ガス噴射を減らして第三遭遇まで延命した。1975年3月16日は327 kmまで接近し、テープレコーダ故障のため約300枚の高解像度像は中央4分の1だけを受信したが、磁場測定を再確認できた。3月24日12:21 UTC、姿勢制御ガス枯渇後に最終交信となった。水星の弱い固有磁場、カロリス盆地、昼夜の極端な温度差、表面の約45%という成果は、後のMESSENGERとBepiColomboが埋めるべき空白も同時に定義した。